1984—2014年儀征市農田土壤酸化驅動因素分析

吳政 張富春 劉紹貴 高暉 陳明 范如娟 顏怡 王長松

摘要?以儀征市為例，基于1984、1994、2005、2014年儀征市代表性的土壤樣品點pH，1984和2014年遙感影像數據，1995—2017年酸雨頻率數據，1980—2006年農戶施肥數據，分析1984—2014年儀征市農田土壤pH時空變化趨勢，并從土地利用方式、酸雨頻率和農戶施肥行為等3方面解析了農田土壤酸化的驅動因素。結果表明：1984—2014年，儀征市農田土壤pH顯著降低，呈現酸化趨勢，酸化區域主要集中在儀征市北部和南部;建設用地擴張占用耕地和道路網絡建設、酸雨頻率變化、有機肥的施用量減少和化肥施用量的增多是造成儀征市農田土壤酸化的主要驅動因素。

關鍵詞?農田土壤;酸化;驅動因素;儀征市

中圖分類號?S153文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）20-0068-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.018

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Driving Factors Analysis of Cropland Acidification of Yizheng City from 1984 to 2014

WU Zheng，ZHANG Fu?chun，LIU Shao?gui et al?（Yangzhou Station of Farmland Quality Protection，Yangzhou，Jiangsu 225101）

Abstract?Taking Yizheng City as an example，based on the representative soil sample point pH values in 1984，1994，2005 and 2014，remote sensing image data in 1984 and 2014，acid rain frequency data in 1995-2017，and fertilization data of farmers in 1980-2006，we analyzed the temporal and spatial variation trend of soil pH in Yizheng City from 1984 to 2014，and analyzed the driving factors of cropland soil acidification from three aspects，such as the land use pattern，acid rain frequency，fertilization behavior of farmers and so on.The results showed that from 1984 to 2014，the soil pH of cropland in Yizheng City decreased significantly，showing an acidification trend.The acidification areas mainly concentrated in the north and south parts of Yizheng City.The main driving factors of soil acidification in Yizheng City were the expansion of construction land，the construction of road network，the change of acid rain frequency，the decrease of organic fertilizer application and the increase of chemical fertilizer application.

Key words?Cropland;Soil acidification;Driving factors;Yizheng City

土壤酸化是土壤退化的一個重要方面，農田土壤是農業生產的載體，是保障糧食生產安全的重要基礎。近年來，工業化和城鎮化的發展，加劇了人類活動與資源環境之間的矛盾，農田土壤受到人類活動的影響，呈現酸化的趨勢。農田土壤酸化會造成大量營養元素的淋失和土壤肥力下降，進而嚴重影響糧食作物生長[1-2]。我國的農田酸性土壤主要分布在長江以南的廣大熱帶、亞熱帶地區和云貴川等地，酸化已經成為制約該區域農田生產力提升的主要障礙因素[3]。自20世紀80年代第二次土壤普查以來，我國開展了縣域耕地地力評價、全國測土配方施肥、土壤墑情監測和全國農業污染源普查等行動，積累了巨量的土壤時空數據[4]。借助GIS技術，可實現長時間尺度上對農田土壤理化性質的連續監測與空間變化分析，如李偉峰等[5]對比分析了江西省1980—2010年土壤數據，結果表明江西省農田土壤總體呈現酸化趨勢;王志剛等[6]的研究表明，江蘇省pH總體空間分布各部位南酸北堿。驅動因素分析有助于回答人類活動對農田土壤pH的影響[7]，并對控制農田土壤酸化提供有針對性的措施與建議。

儀征市是長江下游依江而建的縣級市，優越的地理優勢形成了儀征市完善的交通運輸網絡體系，為工業化和城鎮化的發展提供了基礎，同時長江也為儀征市農業發展提供了水熱條件。該研究對比分析1984—2014年儀征市農田土壤pH的時空變化趨勢，通過收集儀征市的遙感影像、交通規劃、環境監測和農民施肥數據，探討影響儀征市農田土壤變化的驅動因素，為縣級尺度農田土壤酸化防控提供借鑒。

1?材料與方法

1.1?研究區概況

儀征市地處長江三角洲的頂端，江淮丘陵的尾閭，跨越長江和淮河兩大水系，由謝集三里至古井一線為分水嶺，西界南京市六合區，東臨揚州市邗江區，北接高郵湖西，西北與安徽天長市接壤，南臨長江，與江寧、句容、丹徒隔江相望，地理坐標為119°02′～119°22′E、32°14′～32°36′N，在行政區劃上隸屬于江蘇省揚州市，下轄9個鎮。全市地域范圍約857 km2（不包括長江水域）。境內主要地貌類型有丘陵、沙礫石崗地、黃土崗地、河谷平原、沿江平原。區內農業生產以水稻-小麥輪作為主，一年兩熟制，部分地區實行水稻-油菜輪作。

1.2?數據處理與研究方法

1.2.1?數據來源。該研究中的數據類型主要包括不同時期的農田土壤樣品pH數據，不同時期的遙感影像解譯、酸雨監測數據、測土配方施肥數據等，具體情況如下：

（1）土壤樣品pH數據。1984年土壤pH數據來源于第二次土壤普查;1994年土壤pH數據來源與土壤普查;2005年土壤pH數據來源于農業部測土配方施肥數據;2014年土壤pH數據來源于儀征市耕地地力評價數據庫。pH分級參照第二次土壤普查的分級標準與研究區域情況，分為3級：5.5～6.5為1級，弱酸性;6.5～7.5為2級，中性;7.5～8.5為3級，弱堿性。

（2）遙感影像數據。1984年遙感影像數據來源于Landsat 4 TM數據，采集日期為1984年10月30日，由條帶號120，行編號38，云量0.08;條帶號120，行編號37，云量0.02拼接而成。2014年遙感影像數據來源于Landsat 8 OLI數據，采集日期為2014年11月18日，由條帶號120，行編號38，云量0.69;條帶號120，行編號37，云量19.5拼接而成。遙感影像數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）。

（3）酸雨監測數據。來源于儀征市環境保護局，包括1995—2017年的酸雨頻率數據。

（4）農戶施肥數據。來源于揚州市耕地質量保護站和儀征市土壤肥力站收集的1980—2006年農戶肥料投入情況數據和揚州市耕地地力長期監測點位數據。

1.2.2?研究方法。該研究主要采用的方法為GIS空間插值分析和遙感影像解譯方法，運用的軟件平臺為ArcGIS 10.2，Envi 5.3和Sigmaplot 14.0。

（1）GIS空間插值分析。在ArcGIS 10.2中采用Kring插值方法，根據1984、1994、2005、2014年具有代表性的農田土壤樣點pH，插值得到儀征市4個不同時期的pH空間分布情況。

（2）遙感影像解譯。從地理空間數據云下載的衛星遙感影像數據已進行了校正，在ENVI 5.3 軟件中，采用監督分類方法，將儀征市的土地利用現狀分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、未利用地6大類，結合百度地圖（https：//map.baidu.com/）和谷歌地圖（http：//www.google.cn/maps）對遙感影像解譯結果進行校正。

2?結果與分析

2.1?儀征市農田土壤pH時空變化趨勢

對比分析4個不同時期儀征市農田土壤樣品的pH化驗結果，1984—2014年儀征市農田土壤pH顯著降低（P<0.05），呈現酸化趨勢。

Kring插值的結果如圖1所示，4個不同的時期儀征市農田土壤pH主要集中在5.0～6.5，為弱酸性。1984—1994年，儀征市北部的大儀鎮和東南部的樸席鎮，有部分區域pH從6.5～7.5降低到5.0～6.5之間;1994—2005年儀征市北部的大儀鎮農田土壤繼續保持了酸化趨勢，整個大儀征鎮農田土壤pH都降至5.0～6.5;2005—2014年農田土壤pH變化主要集中在儀征市南部的真州鎮、新城鎮和樸席鎮，3個鄉鎮都出現了部分農田土壤酸化的現象?？傮w來說，1984—2014年，儀征市農田土壤酸化區域出現在北部和南部，分別為大儀鎮、真州鎮、新城鎮和樸席鎮。

2.2?土地利用對農田土壤酸化的影響

土地利用方式體現了人類活動對土地資源的開發利用過程，遙感影像解譯的結果如圖2所示?？傮w來說，1984—2014年儀征市主要的土地利用變化情況表現為：①建設用地擴張是建立在占用耕地的基礎上進行的;②對比1984年，儀征市在2014年已建立了較為完整的南北方向和東西方向的交通網絡體系。

1984—2014年，不同土地利用類型之間的轉化面積如表2所示。從表2可以看出，2014年建設用地面積為16 791.73 hm2，其中10 569.05 hm2來自1984年的耕地，占比為62.94%。建設用地主要包括城鎮用地、農民村民點、工礦用地和交通設施用地等，這些土地利用方式都會對農田土壤帶來污染，如工業“三廢”（廢渣、廢氣、廢水）排放，生活污水排放、汽車尾氣排放中大量的硫化物和氮化物等[8]。

在ArcGIS 10.2中對比分析30年間儀征市建設用地情況、建設用地擴張占用耕地情況、交通基礎設施情況、農田土壤pH等級變化情況，如圖3所示。圖3（a）反映了1984—2014年，儀征市建設用地總規模和建設用地占用耕地情況，北部的大儀鎮、南部的馬集鎮和真州鎮是建設用地總面積大且建設用地占用耕地面積大的鄉鎮;圖3（b）表明，2014年儀征市已建立起完整的陸路運輸網絡，從東西和南北方向貫穿整個儀征市，交通網絡類型包括高速公路、國道、省道和鐵路，同時儀征市南部的長江，也為儀征市提供了水路運輸條件，其中北部的大儀鎮、南部的馬集鎮和真州鎮是重要的陸路運輸樞紐;圖3（c）結果表明，1984—2014年，農田土壤pH降低級別表示農田土壤酸化情況，酸化情況主要出現在北部的大儀鎮、南部的真州鎮、新城鎮。綜合分析圖 建設用地擴張與農田土壤酸化具有較高的空間分布吻合度。

2.3?酸雨對農田土壤酸化的影響

酸雨是會加速農田土壤酸化，且造成產量損失[9]。儀征市環保局的酸雨頻率監測數據顯示（圖4），1996—2005年，儀征市酸雨頻率呈現上升趨勢，2006—2016年，酸雨頻率呈現下降趨勢。儀征市酸雨頻率上升主要原因在于工業、化工、化石燃料燃燒引起[9]，但隨著政府節能減排工作的力度加大，二氧化硫排放量逐年下降，儀征市酸雨頻率在“十二五”期間逐漸下降[10]。圖1儀征市農田土壤pH變化的空間分布也顯示，1994—2005年，儀征市農田土壤呈現酸化趨勢;但2005—2014年，農田土壤酸化趨勢有所緩和，趨于穩定。

2.4?化肥施用對農田土壤酸化的影響

對儀征市農戶進行調查結果顯示，1984—2014年儀征市農民施肥的特點如下：一方面是有機肥施用量逐年減少，另一方面是化肥過量施用。

2.4.1?有機肥施用。從揚州市耕地質量保護站和儀征市土肥站收集的1980—2006年農戶施肥調查數據（表3）表明：整體來說，1980—2006年儀征市農戶有機肥施用呈現減少趨勢。主要原因在于：一方面，20世紀90年代以來，儀征市農戶生豬養殖規模的減少，畜禽糞便來源減少;另一方面，秸稈

還田和化肥（復合肥）配施已逐漸取代單純的使用畜禽糞肥和綠肥，成為農戶主要的施肥方式。

2.4.2?化肥施用量。氨態氮肥中的氨離子在土壤中發生硝化反應并產生H+是加速農田土壤酸化的主要機制[11]。孟紅旗等[12]研究結果表明，施用氮肥（N處理）和氮磷鉀配施（NPK處理）對比不施肥處理，土壤酸化速率分別為4.6倍和3.2倍。1988—2014年儀征市耕地地力長期監測點的數據（表4）顯示，在長期施用化肥的過程中，4個耕地地力監測點位，農田土壤都呈現酸化，pH降低。

3?結論與討論

3.1?結論

該研究分析1984—2014年儀征市農田土壤pH的空間變化及驅動因素，結果表明：

（1）30年間，儀征市農田土壤pH顯著降低，呈現酸化趨勢;儀征市北部大儀鎮，南部的真州鎮，新城鎮和樸席鎮是主要的酸化區域。

（2）土地利用方式變化、酸雨和農戶施肥是影響儀征市農田土壤酸化的主要驅動因素。土地利用方式方面主要體現在建設用地擴張占用耕地和道路網絡建設;酸雨方面影響體現在酸雨頻率;農戶施肥方面主要體現在有機肥的施用量減少和化肥施用量的增多。

3.2?討論

農田土壤酸化是人為和自然因素綜合作用的結果[5]，農田土壤酸化的驅動因素研究可為土壤酸化阻控措施制定提供借鑒意義。農田土壤酸化的阻控措施不僅僅包括合理調節土地利用方式、嚴控工業酸性廢氣排放形成酸雨、科學指導農戶施肥，還包括各種酸化改良劑。例如：于天一等[13]研究指出進一步研制并推廣環境危害小的中性（堿性）肥料是減少過量施用生理酸性肥料致酸的重要方式。魯艷紅等[14]研究表明，長期施用化肥條件下配施石灰，可有效緩解稻田土壤酸化。

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